楊浩 周念珠 夏航

摘要? ? 本文主要介紹了一種利用區(qū)塊鏈技術，結合大數(shù)據(jù)隱私保護和可拓展性方案，依托數(shù)據(jù)共享，提出一個集用戶系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接口服務系統(tǒng)、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡服務系統(tǒng)為一體的氣象數(shù)據(jù)協(xié)作共享方案。通過平臺對數(shù)據(jù)交換進行記錄，確保數(shù)據(jù)可溯源，防止數(shù)據(jù)篡改、偽造，同時建立貢獻激勵機制，增加氣象數(shù)據(jù)共享的積極性，可以為氣象決策服務、氣象防災減災、科研學習提供準確氣象數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

關鍵詞? ? 氣象數(shù)據(jù);區(qū)塊鏈;共享方案

中圖分類號? ? TP309;P409? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）11-0205-03? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Research? on? Sharing? Scheme? of? Meteorological? Data? Based? on? Block? Chain? Technology

YANG Hao? ? ZHOU Nian-zhu? ? XIA Hang

（Wansheng Economic Development Zone Meteorological Bureau of Chongqing City，Chongqing 400800）

Abstract? ? This paper mainly introduced a collaborative sharing scheme of meteorological data that integrated user system，data interface service system and block chain network service system by using block chain technology，combining big data privacy protection and extensibility scheme and relying on data sharing. Through the platform，data exchange could be recorded to ensure data traceability and prevent data tampering and forgery.Meanwhile，contribution incentive mechanism was established to increase the enthusiasm of meteorological data sharing，which could provide accurate meteorological data and scientific basis for meteorological decision service，meteorological disaster prevention and mitigation，and scientific research and learning.

Key words? ? meteorological data;block chain;sharing scheme

我國是一個自然災害多發(fā)的國家，其中氣象災害約占70%，各種氣象災害每年都給社會經(jīng)濟帶來巨大損失。隨著氣象信息化建設和服務水平日益提高，氣象信息已經(jīng)成為國民生產(chǎn)生活中不可或缺的一部分，公眾對氣象數(shù)據(jù)的需求也逐漸增加，但是目前氣象數(shù)據(jù)一直面臨協(xié)作共享難、數(shù)據(jù)安全與隱私保護難、數(shù)據(jù)確權難以及數(shù)據(jù)收益分權難等問題，數(shù)據(jù)壟斷、數(shù)據(jù)孤島等現(xiàn)象非常突出。隨著區(qū)塊鏈技術的發(fā)展，目前已進入到可編程社會的階段，并且區(qū)塊鏈具有數(shù)據(jù)透明、真實的特點，可以解決信任問題，從而有效促進數(shù)據(jù)協(xié)作共享[1-2]。鑒于氣象部門自身及相關行業(yè)對氣象數(shù)據(jù)的使用需求，本文利用區(qū)塊鏈與大數(shù)據(jù)結合，提出氣象數(shù)據(jù)共享方案，研究解決氣象數(shù)據(jù)的保護問題和可拓展性問題，以期為相關工作的開展提供準確的氣象數(shù)據(jù)。

1? ? 目的及意義

氣象數(shù)據(jù)的共享是氣象工作現(xiàn)代化的必然要求，越來越多的用戶在工作中都離不開氣象科學數(shù)據(jù)的支持。基于區(qū)塊鏈技術的氣象數(shù)據(jù)共享方案利用區(qū)塊鏈的可拓展性和隱私保護的技術特點及優(yōu)勢，通過氣象數(shù)據(jù)交換平臺，建立氣象數(shù)據(jù)共享激勵機制，解決數(shù)據(jù)資源流通難題，推動氣象數(shù)據(jù)資源整合，提高氣象數(shù)據(jù)利用率，使氣象資料的服務能力獲得實質(zhì)性提高;通過建立數(shù)據(jù)造假失信機制，所有數(shù)據(jù)在交換過程均通過平臺智能合約記錄傳輸上鏈，不僅能保障數(shù)據(jù)的安全可靠，還能提高氣象數(shù)據(jù)的利用效率，提供更加可靠的決策分析依據(jù)[3-4]。同時，該方案也可為氣象公共服務、氣象決策服務、氣象科技服務、氣象防災減災、氣象學科試驗等方面提供準確及時的氣象數(shù)據(jù)信息，是經(jīng)濟建設和社會保障的需要[5]。

2? ? 解決方案

本方案采用層次化設計思路，由用戶系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接口服務系統(tǒng)、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡服務系統(tǒng)組成，采用結構化模塊設計，具有可擴展性，方便以后添加新的模塊。在本方案中通過區(qū)塊鏈控制氣象數(shù)據(jù)共享，同時記錄系統(tǒng)所有操作信息，保障數(shù)據(jù)交換安全真實;通過貢獻證明協(xié)議進行獎勵分配，保證貢獻與獎勵成正比，增加數(shù)據(jù)分享積極性;通過加入智能合約進行智能控制，防止違規(guī)使用，為政府和有關部門提供準確、及時、可靠的信息。系統(tǒng)提供多種查詢方式（圖1），如圖形查詢、點擊查詢、區(qū)域查詢、屬性查詢等，用戶可以通過客戶端疊加相關的氣象數(shù)據(jù)，進行分析、決策、指導，使之更加個性化，更有針對性，從而達到共享目的，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。

2.1? ? 用戶系統(tǒng)

本系統(tǒng)由參與數(shù)據(jù)共享的各個用戶構成。用戶利用系統(tǒng)提供的同態(tài)加密算法對需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密，然后通過業(yè)務適配器將共享數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)共享接口服務模塊。本系統(tǒng)主要有3個功能：一是用戶通過傳輸個人數(shù)據(jù)庫內(nèi)共享的氣象數(shù)據(jù)至分布式賬本內(nèi)的存儲數(shù)據(jù)資源子模塊內(nèi)，獲得系統(tǒng)發(fā)放的虛擬貨幣獎勵，獎勵標準由智能合約模塊內(nèi)的貢獻證明協(xié)議子模塊根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量進行計算;二是用戶通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡服務系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)資源目錄服務子模塊進行數(shù)據(jù)查詢、匹配，然后通過支付虛擬貨幣從分布式賬本內(nèi)的存儲數(shù)據(jù)資源子模塊獲取需要的氣象數(shù)據(jù);三是各個用戶之間通過分布式賬本內(nèi)的用戶信息子項目進行虛擬貨幣交易。

2.2? ? 數(shù)據(jù)接口服務系統(tǒng)

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)共享接口服務模塊構成。根據(jù)本系統(tǒng)功能分析將數(shù)據(jù)共享接口服務模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)轉換、任務調(diào)度等6個子模塊。本系統(tǒng)主要有2個功能：一是負責用戶系統(tǒng)、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡服務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作，本系統(tǒng)對需要交換的加密氣象數(shù)據(jù)進行格式轉換，然后利用安全多方計算技術對轉換后的加密氣象數(shù)據(jù)進行協(xié)作計算，得出計算結果后將結果返回給數(shù)據(jù)需求方;二是根據(jù)確定的模式自動調(diào)度不同的數(shù)據(jù)，完成計劃的目標與任務。

2.3? ? 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡服務系統(tǒng)

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)目錄模塊、智能合約模塊、分布式賬本、系統(tǒng)管理模塊等4個部分組成，實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)綜合管理查詢功能，提供空間數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)管理通道。

2.3.1? ? 數(shù)據(jù)目錄模塊。本模塊主要由數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)匹配、數(shù)據(jù)索引3個子模塊組成，利用分布式運行模式，實現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)的實時性，提高了自動化效率，簡化了數(shù)據(jù)處理流程。主要功能是為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡服務系統(tǒng)提供方便快捷的數(shù)據(jù)組織與管理方式。用戶通過數(shù)據(jù)目錄服務，可以對區(qū)塊鏈網(wǎng)絡服務系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行查詢、匹配與檢索服務。

2.3.2? ? 智能合約模塊。本模塊主要由存量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)清洗、貢獻證明協(xié)議等4個子模塊組成。本模塊主要具有2個功能：一是負責把用戶在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡服務系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)資源同步至分布式賬本中存儲及數(shù)據(jù)清洗工作;二是對用戶共享的數(shù)據(jù)進行獎勵，并將獎勵結果發(fā)送至分布式賬本內(nèi)的用戶虛擬財產(chǎn)賬戶中儲存。智能合約可追蹤且不可逆轉，保障數(shù)據(jù)不會被篡改，增強區(qū)塊鏈性能和隱私保護。

2.3.3? ? 分布式賬本。本模塊主要由存儲數(shù)據(jù)資源、權限控制、存儲分析任務、虛擬財產(chǎn)賬戶等4個子模塊組成，滿足多個用戶使用同一服務器的需要，達到分散部署、集中執(zhí)行的目的。本模塊主要有2個功能：一是為用戶提供區(qū)塊鏈網(wǎng)絡服務系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)共享、復制和同步的數(shù)據(jù)庫功能及數(shù)據(jù)交換功能;二是記錄系統(tǒng)內(nèi)用戶虛擬財產(chǎn)交易數(shù)據(jù)信息。

2.3.4? ? 系統(tǒng)管理模塊。本模塊主要由用戶認證、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)維護、系統(tǒng)幫助、系統(tǒng)拓展等5個子模塊組成。本模塊主要有5個功能：一是用于區(qū)塊鏈用戶認證;二是針對不同用戶設置不同權限;三是設置系統(tǒng)管理員維護系統(tǒng);四是提供系統(tǒng)介紹功能及演示功能;五是預留接口以備系統(tǒng)后續(xù)開發(fā)升級。

3? ? 實施步驟

3.1? ? 數(shù)據(jù)準備

參與氣象數(shù)據(jù)共享的用戶選擇個人數(shù)據(jù)庫中需要共享的歷史或?qū)崟r數(shù)據(jù)，利用同態(tài)加密算法加密后，通過業(yè)務適配器傳輸至數(shù)據(jù)共享接口模塊，由于氣象數(shù)據(jù)的特殊性，有些數(shù)據(jù)無法直接讀取，可以通過業(yè)務適配器轉化為可讀取的數(shù)據(jù)格式（圖2）。

3.2? ? 數(shù)據(jù)傳輸

在各個用戶的共享數(shù)據(jù)全部到達共享接口模塊后，數(shù)據(jù)接口服務系統(tǒng)通過單項傳輸通道將這些數(shù)據(jù)傳遞至一個安全的計算容器中，數(shù)據(jù)到達容器后自動解密，并準備進行協(xié)作運算。整個數(shù)據(jù)傳輸過程均通過智能合約記錄在區(qū)塊鏈上，確保記錄無法篡改（圖3）。

3.3? ? 數(shù)據(jù)協(xié)作運行

在各個用戶的共享數(shù)據(jù)到達安全的計算容器后，數(shù)據(jù)接口服務系統(tǒng)利用安全多方計算對數(shù)據(jù)進行處理，可以通過設置輸入、輸出參數(shù)進行封裝，得到計算結果，數(shù)據(jù)處理將變得更加簡單，效率也會得到提升;利用貢獻證明協(xié)議來確保數(shù)據(jù)共享者的收益權，提高用戶參與度;同時整個數(shù)據(jù)協(xié)作運行過程均保存在區(qū)塊鏈上，確保數(shù)據(jù)協(xié)作過程公開透明，每個參與者都能公平、公正的獲得計算結果（圖4）。

3.4? ? 數(shù)據(jù)輸送

安全計算容器得到協(xié)作運行數(shù)據(jù)結果后，數(shù)據(jù)同步及數(shù)據(jù)存儲模塊把結果傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈網(wǎng)絡服務系統(tǒng)中的分布式賬本中儲存。在運行數(shù)據(jù)到達分布式賬本后，安全計算容器內(nèi)用于協(xié)作的原始數(shù)據(jù)自動消除，不會留下備份，同時此次過程和結果也是記錄在區(qū)塊鏈上，數(shù)據(jù)的使用成本降低，減少了大量的數(shù)據(jù)庫建設，用戶使用更加方便，使專業(yè)應用面向更高層次（圖5）。

4? ? 方案特點

建立基于區(qū)塊鏈技術的氣象數(shù)據(jù)共享平臺，可以解決氣象數(shù)據(jù)資源流通問題，實現(xiàn)無需數(shù)據(jù)歸集就能完成協(xié)作共享，同時確保數(shù)據(jù)共享用戶的安全隱私。此外，通過建立信用貢獻證明機制及數(shù)據(jù)造假懲罰機制，可以提高數(shù)據(jù)真實性，同時提升用戶數(shù)據(jù)分享積極性。推動商業(yè)化的氣象服務行業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)氣象資料商品開發(fā)利用，滿足大眾對氣象資料的需求，實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)在商業(yè)競爭、規(guī)劃戰(zhàn)略、決策指導中的實用價值。

4.1? ? 安全監(jiān)管信息

平臺通過審查申請人資質(zhì)來決定是否允許其服務器加入網(wǎng)絡和加入網(wǎng)絡節(jié)點的類型，針對不同的用戶角色設置不同的訪問權限，只能在權限內(nèi)調(diào)用數(shù)據(jù);使用區(qū)塊鏈對用戶節(jié)點進行分級鏈接，在平臺監(jiān)管下實現(xiàn)部分去中心化。

4.2? ? 數(shù)據(jù)交易信息

平臺通過使用虛擬貨幣對用戶分享行為進行獎勵，共享多、價值高的數(shù)據(jù)可以獲得較多虛擬貨幣，同時用戶可以通過支付虛擬貨幣來購買平臺內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，提升用戶數(shù)據(jù)分享積極性，使用戶的共享數(shù)據(jù)產(chǎn)生財富增值。

4.3? ? 區(qū)塊鏈合約信息

將目前氣象行業(yè)標準及規(guī)則對應到電子合同模板中，選擇合同模板會產(chǎn)生對應的智能合約，自動地、無需信任地、公正地強制執(zhí)行合約內(nèi)容，對數(shù)據(jù)使用過程進行智能控制，去除對第三方的依賴。同時，可以定制各類數(shù)據(jù)間互操作協(xié)議、自定義數(shù)據(jù)格式，以保證不同數(shù)據(jù)相互銜接的通暢性。

4.4? ? 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)信息

記錄區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)鏈上的數(shù)據(jù)基本信息、數(shù)據(jù)大小、數(shù)據(jù)流通信息、數(shù)據(jù)使用場景、數(shù)據(jù)秘鑰信息等;通過平臺對數(shù)據(jù)共享過程進行記錄，保證數(shù)據(jù)交換記錄真實可靠且不可篡改，在保證數(shù)據(jù)共享同時，也保證了數(shù)據(jù)服務的安全。

4.5? ? 區(qū)塊鏈賬戶信息

采用混合認證方式，通過使用虹膜、指紋、密碼等多種認證方式對使用主體進行認證，將賬戶和行為主體綁定，加入智能合約，解決區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)共享各方的身份認證問題，防止違規(guī)使用;同時，可將身份信息進行強度安全保護后，置于身份鏈上，以滿足不同用戶的需求。

5? ? 結語

本文利用區(qū)塊鏈的技術特點和優(yōu)勢，將區(qū)塊鏈技術與氣象數(shù)據(jù)相結合，提出一種氣象數(shù)據(jù)共享解決方案，從而實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的自動傳輸、備份、讀取、更新等任務，保證數(shù)據(jù)有序流動和充分發(fā)揮作用。通過建立協(xié)作共享機制、信用貢獻機制、數(shù)據(jù)造假機制等，可以降低數(shù)據(jù)交換和交易的成本，提升數(shù)據(jù)流通共享以及數(shù)據(jù)生產(chǎn)匯集的積極性;通過平臺進行數(shù)據(jù)交換，為用戶提供了更加便捷的氣象數(shù)據(jù)獲取方式，實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)管理與共享服務一體化;通過分布式賬本及智能合約，將整個數(shù)據(jù)共享過程記錄在區(qū)塊鏈上，保障數(shù)據(jù)隱私及安全。

6? ? 參考文獻

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基金項目? ?重慶市氣象部門青年基金項目（QNJJ-201912）。

作者簡介? ?楊浩（1990-），男，重慶人，助理工程師，從事氣象安全管理、防雷減災等工作。

收稿日期? ?2020-03-06